全景天窗頂蓋成形工藝分析與調(diào)試研究

唐俊杰

（特必思軟件貿(mào)易（上海）有限公司，上海201203）

1 引言

近年來，我國的汽車行業(yè)依然得到了高速的發(fā)展，尤其在汽車新能源領(lǐng)域方面，各大汽車廠商都在各自的平臺(tái)上研發(fā)新能源汽車角逐市場。這也側(cè)面證明了車身制造與外形設(shè)計(jì)依然是衡量汽車外觀發(fā)展水平的重要標(biāo)志。在汽車模具生產(chǎn)行業(yè)里，不管沿用的是傳統(tǒng)材料成形還是在新能源汽車中常用的鋁板成形，依然能看到傳統(tǒng)工藝在其中發(fā)揮的重要作用。當(dāng)然，即使是新工藝以及新材料的應(yīng)用，在整個(gè)制造過程中，板料成形過程出現(xiàn)的開裂、減薄、起皺、回彈變形、尺寸超差等現(xiàn)象依然存在[1]。學(xué)術(shù)界也因此針對(duì)某個(gè)或多個(gè)問題進(jìn)行綜合性研究并發(fā)表了很多極具專業(yè)性的論文著作[2]。

汽車模具的設(shè)計(jì)與制造，本身就是一個(gè)復(fù)雜和雙向驗(yàn)證的過程。從設(shè)計(jì)角度，通過前期CAE分析、精細(xì)化模面設(shè)計(jì)以及平時(shí)積累的制件成形經(jīng)驗(yàn)融合得出理論結(jié)果。從生產(chǎn)角度，通過CNC加工、鉗工后期研配調(diào)試等手段完成最終結(jié)果。如果將這兩點(diǎn)單獨(dú)拆分看問題，相信大多數(shù)的模具廠商都有很多寶貴和成功解決問題的經(jīng)驗(yàn)。設(shè)計(jì)與制造是一個(gè)復(fù)雜和雙向驗(yàn)證的過程，設(shè)計(jì)能力和制造能力強(qiáng)，但綜合處理問題能力弱，是目前絕大多數(shù)模具制造廠商和技術(shù)從業(yè)者所面臨的瓶頸。本文主要通過某汽車天窗頂蓋外板，從設(shè)計(jì)與制造兩個(gè)角度出發(fā)，綜合兩者之間出現(xiàn)的技術(shù)問題，針對(duì)其中常見問題進(jìn)行研究并提出解決方案。

2 天窗頂蓋數(shù)據(jù)檢查

2.1 數(shù)據(jù)檢查的原因

任何一個(gè)車身覆蓋件產(chǎn)品都有自身的級(jí)別分類以及與之相對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)建模標(biāo)準(zhǔn)[3]。目前比較常用的分類就是將車身外覆蓋件統(tǒng)稱為Class A類件，以此類推，對(duì)于車身的內(nèi)覆蓋件而言，將其稱之為Class B和Class C類件等等。針對(duì)不同等級(jí)的覆蓋件，不同的汽車制造廠商都有各自不同的數(shù)據(jù)建模標(biāo)準(zhǔn)，而這些標(biāo)準(zhǔn)，往往是貫穿整個(gè)覆蓋件模具設(shè)計(jì)和制造的重要影響因素。將這些影響因素大體歸納為曲面間隙公差、曲面切線角度誤差、曲面縫合公差、G2連續(xù)性最大偏差等。這些影響因素在各大汽車主機(jī)廠設(shè)計(jì)端都是很常見的設(shè)計(jì)因素，但令人遺憾的是這些對(duì)于模具供應(yīng)廠商的設(shè)計(jì)端而言還是相對(duì)比較陌生。這兩者之間的信息認(rèn)知偏差，也往往影響著模具和制件品質(zhì)的最終走向。

2.2 數(shù)據(jù)檢查的方法

為了能消除這種認(rèn)知偏差并以此提高最終制件品質(zhì)，在此有必要通過某全景天窗頂蓋案例，將經(jīng)過驗(yàn)證的方法進(jìn)行歸納和總結(jié)。

斑馬線分析檢查[4]，主要是根據(jù)斑馬線條紋在不同位置角度下的形狀趨勢和走向來判斷曲面質(zhì)量，如果曲面之間斑馬線走向明確，局部無畸，一般則認(rèn)為斑馬線分析檢查通過，如圖1所示。

圖1 斑馬線分析檢查

半徑值大小分析，主要是通過“最大絕對(duì)半徑值”來顯示最大值的主曲率的倒數(shù)。這有助于技術(shù)人員初步掌握產(chǎn)品半徑值的大小分布情況，為后續(xù)回彈補(bǔ)償A面調(diào)整做初步的參考，如圖2所示。

圖2 半徑值大小分析

高斯曲率變化分析，主要是通過曲率分析中的“高斯曲率”利用顏色的變化來查看產(chǎn)品高斯曲率的分布情況，一般而言，頂蓋大面區(qū)域的高斯曲率顏色都是一致的，曲率為單凸?fàn)顟B(tài)，即表示同一個(gè)方向，如圖3所示。

圖3 高斯曲率分析

3 天窗頂蓋回彈分析

3.1 回彈的原因

影響制件回彈的原因有很多，如壓邊力、拉伸筋形狀、材料性能、曲率半徑、摩擦系數(shù)、料厚等因素都對(duì)回彈有一定的影響，即回彈的產(chǎn)生是卸載制件時(shí)內(nèi)應(yīng)力再分配的結(jié)果，制件各區(qū)域的應(yīng)力狀態(tài)不同，回彈量也不同。

換言之，解決頂蓋回彈問題的辦法便是使制件避開彈性變形區(qū)域從而進(jìn)入塑性變形，通過過量彈性變形來減少制件回彈量[5]。

3.2 夾緊點(diǎn)的設(shè)定

對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)頂蓋和帶天窗頂蓋共模設(shè)計(jì)的CAE分析步驟設(shè)定相信很多技術(shù)從業(yè)者都已經(jīng)了然于心。在CAE分析過程中，除了材料、幾何工件、拉伸筋、壓力等一系列重要參數(shù)以外，也有很多技術(shù)從業(yè)者往往忽略了夾緊點(diǎn)設(shè)定的重要性。

第一種情況表示夾緊過度，導(dǎo)致制件變形，后期很難構(gòu)建準(zhǔn)確的表面；第二種情況表示避開了關(guān)鍵區(qū)域的夾緊；第三種情況表示合理的和可實(shí)現(xiàn)的夾緊位置，如圖4所示。

圖4 夾緊點(diǎn)設(shè)定原則

因此，夾緊點(diǎn)的設(shè)定有以下一般性原則：①以最小數(shù)量為原則設(shè)定；②避開回彈較大的區(qū)域設(shè)置；③在最終測量夾緊附近區(qū)域使用夾緊點(diǎn)；④夾緊點(diǎn)設(shè)定必須以穩(wěn)定的方向支撐制件；⑤使用3點(diǎn)夾緊時(shí)，保持最大三角形區(qū)域；⑥穩(wěn)定的制件區(qū)域內(nèi)設(shè)定并避免翻邊區(qū)域；⑦夾緊點(diǎn)設(shè)定應(yīng)保持補(bǔ)償值最小化；⑧通過夾緊產(chǎn)生簡單的補(bǔ)償法則。

一般而言，對(duì)于頂蓋、車門外板、行李廂蓋等料厚較小且成形后較軟的制件，使用3個(gè)夾緊點(diǎn)進(jìn)行回彈計(jì)算是不可行的。而對(duì)于曲率較大且通常沒有天窗且尺寸較小的頂蓋，可以使用4個(gè)夾緊點(diǎn)來進(jìn)行回彈計(jì)算。

對(duì)于本文案例的天窗頂蓋而言，建議用5個(gè)夾緊點(diǎn)進(jìn)行回彈計(jì)算。同時(shí)，夾緊點(diǎn)設(shè)定的位置不同，制件回彈情況也有很大差異。第一種，關(guān)鍵夾緊點(diǎn)設(shè)定在頂蓋中線前端位置，另外4個(gè)點(diǎn)分別設(shè)定在頂蓋角落位置；第二種，關(guān)鍵夾緊點(diǎn)設(shè)定在頂蓋中線靠近天窗位置，另外4個(gè)點(diǎn)位置與第一種保持相同，如圖5所示。

圖5 夾緊點(diǎn)位置設(shè)定

根據(jù)以上所設(shè)定的兩種情況進(jìn)行CAE分析后發(fā)現(xiàn)：不同的夾緊點(diǎn)設(shè)定位置，對(duì)制件回彈的區(qū)域及回彈量大小有很大的影響。設(shè)定在頂蓋中線前端及4個(gè)角落位置，頂蓋前端的回彈得到了很好的控制，回彈量值保持在0.1~0.5mm范圍內(nèi)，而天窗翻邊部位周邊的回彈量值則在4.0~6.6mm之間，側(cè)面最大回彈量值則在13mm左右；設(shè)定在頂蓋中線靠近天窗及4個(gè)角落位置，回彈量值保持在1.3~2.3mm范圍內(nèi)，而天窗翻邊部位周邊的回彈量值則在1.0~4.8mm之間，側(cè)面最大回彈量值則在8.4mm左右，如圖6所示。

圖6 回彈區(qū)域及量值變化

這兩種夾緊點(diǎn)位置設(shè)定都可以選擇，而最終的選擇差異則更多來自于沖壓工藝的安排以及A面回彈補(bǔ)償?shù)碾y易程度。

4 天窗頂蓋回彈補(bǔ)償策略及方法

4.1 回彈補(bǔ)償策略

圖7所示為天窗頂蓋補(bǔ)償策略，此補(bǔ)償基礎(chǔ)建立在與標(biāo)準(zhǔn)頂蓋共模設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上制定。

圖7 天窗頂蓋補(bǔ)償策略

4.2 回彈補(bǔ)償方法

Autoform補(bǔ)償計(jì)算是基于網(wǎng)格數(shù)據(jù)工作。因此，在任何CAD系統(tǒng)中都無法通過變形功能對(duì)A級(jí)曲面進(jìn)行基于向量的變形補(bǔ)償，同時(shí)也無法將其直接應(yīng)用在模具型面加工上。FEM補(bǔ)償?shù)南蛄繄鲇泻芏嘈∪毕?，使用變形功能時(shí)會(huì)產(chǎn)生較差曲面質(zhì)量，這一現(xiàn)象在各種CAD系統(tǒng)都有可能存在。對(duì)于頂蓋項(xiàng)目，最好的方法是從Autoform中導(dǎo)出IGES格式曲面，然后在Tebis中使用“Brep”功能對(duì)曲面進(jìn)行重構(gòu)。

第一步，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入至Tebis系統(tǒng)中，并通過分析功能對(duì)回彈前后數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析并具體觀察回彈區(qū)域的變化，如圖8所示。

圖8 回彈區(qū)域及數(shù)值分析

第二步，通過Tebis系統(tǒng)中的“NC準(zhǔn)備/補(bǔ)片”功能降低曲面的分段。這樣做的好處在于降低曲面的復(fù)雜性，提高進(jìn)一步處理的方便性，同時(shí)為后續(xù)A面重構(gòu)做好準(zhǔn)備，如圖9所示。

圖9 區(qū)域分段優(yōu)化

第三步，基于優(yōu)化分段的數(shù)據(jù)，重構(gòu)天窗頂蓋A面區(qū)域。對(duì)于頂蓋而言，A級(jí)區(qū)域僅包含少量曲面，因此完全可以用一個(gè)單獨(dú)的新曲面進(jìn)行重構(gòu)近似。通過在特征區(qū)域中的補(bǔ)償曲面創(chuàng)建截面，獲取外部邊界并創(chuàng)建一個(gè)新的A級(jí)曲面的基面，如圖10所示。

圖10 A面區(qū)域重構(gòu)

第四步，基于完成的基面以及回彈區(qū)域及數(shù)值分析結(jié)果，通過調(diào)整曲面控制點(diǎn)的功能來實(shí)現(xiàn)不同區(qū)域的回彈量值，如圖11所示。

圖11 局部控制點(diǎn)修改

最終，經(jīng)過Tebis補(bǔ)償并重構(gòu)的完整數(shù)據(jù)與回彈前數(shù)據(jù)進(jìn)行高斯曲率的對(duì)比，即使經(jīng)過復(fù)雜的回彈補(bǔ)償也完全能看出重構(gòu)的A面區(qū)域與制件高斯曲率分布趨勢保持一致，如圖12所示。

圖12 重構(gòu)后數(shù)據(jù)高斯曲率對(duì)比

因此，對(duì)于天窗頂蓋，包括共模的標(biāo)準(zhǔn)頂蓋而言，利用Autoform導(dǎo)出的IGES數(shù)據(jù)，通過Tebis進(jìn)行A面重構(gòu)及優(yōu)化，既能滿足工藝成形的需求，也能滿足NC加工的精細(xì)化模面要求。

5 減少研配和調(diào)試周期的措施

關(guān)于減少研配和調(diào)試周期的措施有很多。從CAE分析的角度來看，設(shè)定準(zhǔn)確合適的分析參數(shù)以及高質(zhì)量的曲面數(shù)據(jù)尤為重要；從設(shè)計(jì)的角度來看，合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尤為重要；從加工的角度來看，R角避讓、強(qiáng)壓與避空等精細(xì)化模面數(shù)據(jù)是否到位尤為重要。

5.1 壓邊圈的間隙設(shè)定

現(xiàn)以壓邊圈為例做簡要敘述。減少機(jī)加工及鉗工研配時(shí)間，從精細(xì)化模面的角度有3種解決方法，如圖13所示。

圖13 3種解決方法

5.2 拉伸圓角外圍區(qū)域表面缺陷優(yōu)化

在拉伸工序中，經(jīng)常出現(xiàn)板材中的凸圓角區(qū)域在拉延面的外圍區(qū)域造成曲面缺陷的情況。優(yōu)化模面造型可以降低因成形產(chǎn)生應(yīng)變力的影響。為減少調(diào)試工序凸模的手工工作以及減少模具的合模工作，就很有必要考慮在進(jìn)行精細(xì)化模面制造時(shí)消除這方面的影響，制造出來的數(shù)據(jù)也將用于后續(xù)的CNC加工數(shù)據(jù)，由于制件形狀和工藝設(shè)定等一系列的差異，以下結(jié)果僅作參考，如圖14所示。

圖14 曲面缺陷優(yōu)化

通過對(duì)部分區(qū)域曲面曲率的修改，可以減少曲面翹曲缺陷。雖然從數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)角度可以減少此類缺陷，但無論如何也無法完全避免在調(diào)試過程中的人工最終優(yōu)化，以下方法僅作參考，如圖15所示。

圖15 制造方法參考

6 結(jié)束語

綜上所述，汽車覆蓋件模具制造是一個(gè)復(fù)雜的工業(yè)流程。工藝分析、加工制造、調(diào)試研配等都是相輔相成并相互影響的作業(yè)環(huán)節(jié)。其中，制件的回彈補(bǔ)償以及A級(jí)曲面品質(zhì)的保證是尤為重要的技術(shù)節(jié)點(diǎn)?；贏utoform和Tebis兩者的交互使用，使得設(shè)計(jì)端和制造端有了一個(gè)良好的接口，這對(duì)于未來企業(yè)解決技術(shù)難題提供了重要的參考。